【操作系统】2.3进程管理（进程调度）

调度的基本概念

当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理，这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题

• 在多道程序系统中，进程的数量往往是多于处理机个数的，这样不可能同时并行地处理各个进程，
• 处理机调度，就是从就绪队列中按照一定的算法，选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行

调度的三个层次

1. 高级调度（作业调度）

   1. 由于内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存，因此就需要确定某种规则来决定作业调入内存的顺序
   2. 高级调度：按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个（或多个）作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程（建立PCB），使它们获得竞争处理机的权利
   3. 高级调度是辅存（外存）和内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立PCB，调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出
      

2. 中级调度（内存调度）

   1. 引入虚拟存储计数后，可将暂时不能运行的的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存
   2. 这么做的目的是为了提高内存的利用率和系统吞吐量
   3. 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是，⭐PCB并不会一起调到外存，而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据再外存中挂起的位置、进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控和管理。被挂起的基础PCB会被放到挂起队列中
      

   进程的挂起状态于七状态模型：

   1. 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态
      注意：“挂起”和“阻塞”的区别：两种状态都是暂时不能得到CPU服务，但挂起状态是将进程映像调到外存，而阻塞状态下进程映像还在内存中
   2. 可分为：就绪挂起、阻塞挂起
   3. 七状态模型：
      

3. 低级调度（进程调度）

   1. 主要任务就是按照某种算法和策略从就绪队列中选一个进程，将处理机分配给它
   2. 进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度
   3. 进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次
      

⭐三层调度的联系、对比

项目	要做什么	调度发生在…	发生频率	对进程状态的影响
高级调度（作业调度）	按照某种规则，从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并为其创建进程	外存→内存（面向作业）	最低	无→创建态→就绪态
中级调度（内存调度）	按照某种规则，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存	外存→内存（面向进程）	中等	挂起（就绪挂起）态→就绪态（阻塞挂起→阻塞态）
低级调度（进程调度）	按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程，为其分配处理机	内存→CPU	最高	就绪态→运行态

进程调度的时机

什么时候需要进程调度？

• 需要进行进程调度与切换的情况：
  1. 当前运行的进程主动放弃处理机：
     1. 进程正常终止
     2. 运行过程中发生异常而终止
     3. 进程主动请求阻塞（如 等待I/O）
  2. 当前运行的进程被动放弃处理机：
     1. 分给进程的时间片用完了
     2. 有更紧急的事情要处理（如 I/O中断）
     3. 有更高优先级的进程进入就绪队列
• 不能进行进程调度与切换的情况：

  1. 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理过程中进行进程切换

  2. 进程在操作系统内核程序临界区中

     √ 进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换
     × 进程在临界区中不能进行处理机调度
     PS:
     临界资源：一个时间段只允许一个进程使用的资源。各个进程需要互斥地访问临界资源
     临界区：访问临界资源的那段代码
     内核程序临界区：一搬是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由就绪进程的PCB组成）

     1. 一个进程访问临界资源时会为其上锁，如果还没有退出临界区，就无法对该资源解锁，如果还未解锁，就进行进程调度，若进程调度相关的程序也需要访问就绪队列，但当前就绪队列是被上锁了的，就无法顺利进行进程调度
        内核程序临界区访问的临界资源如果不尽快释放的话，极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作，因此，进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换
        
     2. 在打印机完成之前进程一直处于临界区，临界资源不会解锁，但打印机是慢速设备，如果此时不允许进程调度，一直等待打印机工作完成，CPU会一直处于空闲状态
        普通临界区访问临界资源不会直接影响到操作系统内核的管理工作，因此，进程处于临界区时可以进行处理机调度
        

  3. 在原子操作过程中（原语）。原子操作不可中断，要一气呵成（如：修改PCB中进程的状态标志，并把PCB放到相应队列）

进程调度的方式

有的操作系统中，进程可以主动放弃处理机，当有更紧急的任务需要处理时，也会强制剥夺处理机（被动放弃)

• 非剥夺调度方式（非抢占式）：
  1. 只允许进程主动放弃处理机，在运行过程中即便由更紧急的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞状态
  2. 优点：实现简单，系统开销小
  3. 缺点：无法及时处理紧急任务
  4. 适用于早期批处理系统
• 剥夺调度方式（抢占式）
  1. 当一个进程在处理机上执行时，如果有一个更重要或或更紧急的进程需要处理机，则立即暂停当前正在执行的进程，将处理机分配给更重要的那个进程
  2. 优点：可以优先处理更紧急的进程，也可实现让各个进程按时间片轮流执行的功能（通过时钟中断）
  3. 适用于分时操作系统、实时操作系统

进程的切换

• 广义的进程调度包含了选择一个进程（狭义的进程调度）和进程切换两个步骤
• 进程切换过程主要完成了：
  1. 对原来运行的进程的各种数据的保存
  2. 对新的进程各种数据的恢复
• 注意：进程的切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程的调度、切换，必然会导致整个系统的效率降低，时系统花在进程切换上的时间增多，而真正用于进程执行的时间减少